1. 五彩繽紛的粒子世界
粒子的世界是一個豐富多彩的世界， 也是一個引人入勝的世界。
人們的視野進入原子世界以後， 認識了許多像中子、質子這樣的粒子， 而且人們也想像打開原子一樣， 試圖將中子、質子等粒子打碎。科學家們建造了愈來愈大的設備， 用了愈來愈高的能量花了很多的時間和精力。但是到目前還沒有獲得成功。不過， 這一切努力都沒有白費。在這一過程中， 物理學家發現了很多與質子、中子屬於同一級的“基本粒子”( 簡稱粒子) 。這些粒子和它們的運動變化構成了粒子世界， 對它們的研究， 形成了一門重要的物理學分支―――粒子物理學。
那麽， 粒子都有哪些？ 它們都具有什麽性質和特點呢？在本世紀初的時候， 這個問題是容易回答的。因為那時， 人們對粒子的認識才剛剛開始。到1930 年， 隻知道有電子、光子和質子； 1932 年發現了中子和正電子， 也不過是5 種； 到40 年代末， 物理學家所研究的粒子也隻是14種。進入到本世紀末， 粒子數目已增加到200 多種， 如果再加上它們的反粒子， 就差不多已有400 種。這樣多的粒子，具有各種不同的特性。不過下麵這幾種性質是粒子最重要的屬性。
一、質量這裏所說的粒子的質量， 是指它們靜止時的質量。愛因斯坦在相對論中提出， 物體運動時質量會隨著運動速度而增大。粒子也同樣具有這一規律。質量隨速度增大的規律是：momv = V21-C2式中，： mv 為粒子運動時的質量； mo 為粒子靜止時的質量；V 為粒子的運動速度；C 為光速。
光子是一個很個別的粒子， 它的靜止質量是零。電子的質量約為0. 5MeV， 質子的質量為1Ge V 。這裏， MeV 為百萬電子伏特， GeV 為10 億電子伏特， 都是粒子物理學中用來表示質量的單位。電子伏特( eV) 是一個電子通過1 伏特的電壓所獲得的能量， 它是能量的單位。但根據相對論中能量和質量的關係， 能量和質量就可以用相同的單位來度量了。
目前， 所知最重的粒子是1977 年發現的Υ( 讀音： jupsiln) ， 它的質量約為9. 5GeV 。
二、壽命從壽命的角度， 粒子可以分為二大類， 一類是穩定的粒子， 像質子和電子等， 它們具有無限長的壽命。這類具有穩定壽命的粒子並不多， 實驗上給出它們壽命的下限分別為： 電子壽命>2 ×1022 年，質子壽命>1. 3 ×1032 年。
這種具有穩定壽命的粒子並不多， 除了質子和電子以外， 還有反質子、正電子、中微子、反中微子和光子等少數幾種。另一類是不穩定的粒子。在不穩定的粒子中， 壽命最長的是中子和反中子， 它們的壽命為15 分鍾； 比它們短的-是μ子( μ讀音： mju)， 它的壽命隻有約2 ×10 秒。
1950 年前後， 物理學家發現了一批新的粒子， 如K 介子(K 讀音： k p) 、∧超子( ∧讀音： l nd) 、Σ超子( Σ讀音： sigm) 、Ξ超子( Ξ讀音： ksai) 等。這些粒子都是通過強相互作用而迅速產生， 卻通過弱相互作用而慢慢地衰變。所謂“慢慢地衰變”， 隻是相對於強相互作用過程而言， 並不是我們日常中的含義。因為這些粒子的壽命，8 10僅在10 -秒到10 -秒的範圍。這批粒子被稱為奇異粒子。
10 -已是很短的壽命， 但是奇異粒子在不穩定粒子中也還稱得上是長壽的了。1960 年前後， 物理學家又發現了大22 -24量的壽命更短的粒子。它們的壽命短到隻有10 -秒到10 秒， 如ρ( 讀音rou) 、Ν( 讀音： niu) 、△( 讀音： delta) 等。這些壽命極短的粒子統稱為共振子。
三、自旋粒子都在繞自身的一根軸線在快速地自轉， 自轉的快慢這一特性就是用叫做“自旋”的角動量來描述的。自旋以27為單位( = h/2π， 普朗克常數h=6. 626 ×10 -爾格・秒)， 可以取0， 12，1， 32，2， 52，3 。。等整數或半整值。自旋為0 表示粒子沒有自轉運動， 自旋取值愈大表示粒子自轉愈快。粒子自轉的方向不能任意選取， 比如自旋為1 的粒子，是自旋朝上(+ )； 自旋為1 的粒子， 多一個橫向自轉狀2 它的自轉方向有兩種可能， 一種是自旋朝下( - 1 2 ) ， 一種12態。自旋為0， 1， 2， 3 。。等整數值的粒子叫做玻色子；自旋為21， 23， 25 。。等半整數值的粒子叫做費米子。費米子具有一種性質， 即不能有兩個或兩個以上的費米粒子處於相同的狀態， 這叫做泡利不相容原理。這就是說， 如果一個費米粒子占據了某個狀態， 別的費米子就不能再去占據這個狀態。玻色子則沒有這個性質， 它不遵守泡利不相容原理， 可以有多個玻色子處於同一狀態之中。例如， 光子的自旋為1， 是玻色子， 因此允許有很多光子處於相同的狀態。在激光的光束中， 就是大量光子處於同一狀態， 這才使得激光具有很強的方向性和良好的相廣性。
四、電荷粒子帶電荷的狀況是不同的。電子具有電荷-e， 質子19具有電荷+e， 其中e = 1 。 602 ×10 -庫侖。在已發現的所有粒子中， 除了不帶電荷的光子、中子、中微子等粒子以外， 凡是帶電荷的粒子， 它所帶的電荷都取e 的整數倍。
有趣的是， 構成強子這類粒子的誇克， 則是帶有分數電荷， 如±31e ， ±32 e 。這是誇克區別於已知粒子的最重要的特征。為什麽粒子與誇克會有這一區別， 是物理學家要從理論上解釋的一個問題。
粒子除了上述四種基本的屬性外， 還有其他的一些性質， 對這些物質的描述就要用到更抽象、更複雜的物理概念， 比如： 宇稱、奇異數、同位旋等。對這些概念在本書中也會有所涉及， 但要真正準確地理解這些概念， 還需要學習更多的物理知識。
對粒子的屬性的認識， 也是有助於對粒子的分類。最初， 物理學家就是根據粒子的質量對它們進行分類的。按質量的大小， 把粒子分成四類：( 1) 光子： 質量為零( 2) 輕子： 質量較輕( 3) 介子： 質量介於輕子和質子之間( 4) 重子： 質量等於或大於質子的質量。
但是， 隨著新粒子的不斷發現， 這種分類已不適於對粒子的描述。現在， 物理學家是根據粒子所參與的相互作用的不同， 對粒子進行了新的分類。
我們知道自然界中存在著四種基本相互作用， 這就是引力相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、強相互作用。萬有引力在粒子之間也是存在的， 但是它的強度太低， 隻有在涉及到巨大質量物體時， 比如， 地球對物體的作用， 太陽對地球的作用等， 引力相互作用才是重要的。而從粒子之間的作用來看， 引力相互作用十分微弱， 完全可以忽略不計， 所以粒子之間主要有三種相互作用。
人們的視野進入原子世界以後， 認識了許多像中子、質子這樣的粒子， 而且人們也想像打開原子一樣， 試圖將中子、質子等粒子打碎。科學家們建造了愈來愈大的設備， 用了愈來愈高的能量花了很多的時間和精力。但是到目前還沒有獲得成功。不過， 這一切努力都沒有白費。在這一過程中， 物理學家發現了很多與質子、中子屬於同一級的“基本粒子”( 簡稱粒子) 。這些粒子和它們的運動變化構成了粒子世界， 對它們的研究， 形成了一門重要的物理學分支―――粒子物理學。
那麽， 粒子都有哪些？ 它們都具有什麽性質和特點呢？在本世紀初的時候， 這個問題是容易回答的。因為那時， 人們對粒子的認識才剛剛開始。到1930 年， 隻知道有電子、光子和質子； 1932 年發現了中子和正電子， 也不過是5 種； 到40 年代末， 物理學家所研究的粒子也隻是14種。進入到本世紀末， 粒子數目已增加到200 多種， 如果再加上它們的反粒子， 就差不多已有400 種。這樣多的粒子，具有各種不同的特性。不過下麵這幾種性質是粒子最重要的屬性。
一、質量這裏所說的粒子的質量， 是指它們靜止時的質量。愛因斯坦在相對論中提出， 物體運動時質量會隨著運動速度而增大。粒子也同樣具有這一規律。質量隨速度增大的規律是：momv = V21-C2式中，： mv 為粒子運動時的質量； mo 為粒子靜止時的質量；V 為粒子的運動速度；C 為光速。
光子是一個很個別的粒子， 它的靜止質量是零。電子的質量約為0. 5MeV， 質子的質量為1Ge V 。這裏， MeV 為百萬電子伏特， GeV 為10 億電子伏特， 都是粒子物理學中用來表示質量的單位。電子伏特( eV) 是一個電子通過1 伏特的電壓所獲得的能量， 它是能量的單位。但根據相對論中能量和質量的關係， 能量和質量就可以用相同的單位來度量了。
目前， 所知最重的粒子是1977 年發現的Υ( 讀音： jupsiln) ， 它的質量約為9. 5GeV 。
二、壽命從壽命的角度， 粒子可以分為二大類， 一類是穩定的粒子， 像質子和電子等， 它們具有無限長的壽命。這類具有穩定壽命的粒子並不多， 實驗上給出它們壽命的下限分別為： 電子壽命>2 ×1022 年，質子壽命>1. 3 ×1032 年。
這種具有穩定壽命的粒子並不多， 除了質子和電子以外， 還有反質子、正電子、中微子、反中微子和光子等少數幾種。另一類是不穩定的粒子。在不穩定的粒子中， 壽命最長的是中子和反中子， 它們的壽命為15 分鍾； 比它們短的-是μ子( μ讀音： mju)， 它的壽命隻有約2 ×10 秒。
1950 年前後， 物理學家發現了一批新的粒子， 如K 介子(K 讀音： k p) 、∧超子( ∧讀音： l nd) 、Σ超子( Σ讀音： sigm) 、Ξ超子( Ξ讀音： ksai) 等。這些粒子都是通過強相互作用而迅速產生， 卻通過弱相互作用而慢慢地衰變。所謂“慢慢地衰變”， 隻是相對於強相互作用過程而言， 並不是我們日常中的含義。因為這些粒子的壽命，8 10僅在10 -秒到10 -秒的範圍。這批粒子被稱為奇異粒子。
10 -已是很短的壽命， 但是奇異粒子在不穩定粒子中也還稱得上是長壽的了。1960 年前後， 物理學家又發現了大22 -24量的壽命更短的粒子。它們的壽命短到隻有10 -秒到10 秒， 如ρ( 讀音rou) 、Ν( 讀音： niu) 、△( 讀音： delta) 等。這些壽命極短的粒子統稱為共振子。
三、自旋粒子都在繞自身的一根軸線在快速地自轉， 自轉的快慢這一特性就是用叫做“自旋”的角動量來描述的。自旋以27為單位( = h/2π， 普朗克常數h=6. 626 ×10 -爾格・秒)， 可以取0， 12，1， 32，2， 52，3 。。等整數或半整值。自旋為0 表示粒子沒有自轉運動， 自旋取值愈大表示粒子自轉愈快。粒子自轉的方向不能任意選取， 比如自旋為1 的粒子，是自旋朝上(+ )； 自旋為1 的粒子， 多一個橫向自轉狀2 它的自轉方向有兩種可能， 一種是自旋朝下( - 1 2 ) ， 一種12態。自旋為0， 1， 2， 3 。。等整數值的粒子叫做玻色子；自旋為21， 23， 25 。。等半整數值的粒子叫做費米子。費米子具有一種性質， 即不能有兩個或兩個以上的費米粒子處於相同的狀態， 這叫做泡利不相容原理。這就是說， 如果一個費米粒子占據了某個狀態， 別的費米子就不能再去占據這個狀態。玻色子則沒有這個性質， 它不遵守泡利不相容原理， 可以有多個玻色子處於同一狀態之中。例如， 光子的自旋為1， 是玻色子， 因此允許有很多光子處於相同的狀態。在激光的光束中， 就是大量光子處於同一狀態， 這才使得激光具有很強的方向性和良好的相廣性。
四、電荷粒子帶電荷的狀況是不同的。電子具有電荷-e， 質子19具有電荷+e， 其中e = 1 。 602 ×10 -庫侖。在已發現的所有粒子中， 除了不帶電荷的光子、中子、中微子等粒子以外， 凡是帶電荷的粒子， 它所帶的電荷都取e 的整數倍。
有趣的是， 構成強子這類粒子的誇克， 則是帶有分數電荷， 如±31e ， ±32 e 。這是誇克區別於已知粒子的最重要的特征。為什麽粒子與誇克會有這一區別， 是物理學家要從理論上解釋的一個問題。
粒子除了上述四種基本的屬性外， 還有其他的一些性質， 對這些物質的描述就要用到更抽象、更複雜的物理概念， 比如： 宇稱、奇異數、同位旋等。對這些概念在本書中也會有所涉及， 但要真正準確地理解這些概念， 還需要學習更多的物理知識。
對粒子的屬性的認識， 也是有助於對粒子的分類。最初， 物理學家就是根據粒子的質量對它們進行分類的。按質量的大小， 把粒子分成四類：( 1) 光子： 質量為零( 2) 輕子： 質量較輕( 3) 介子： 質量介於輕子和質子之間( 4) 重子： 質量等於或大於質子的質量。
但是， 隨著新粒子的不斷發現， 這種分類已不適於對粒子的描述。現在， 物理學家是根據粒子所參與的相互作用的不同， 對粒子進行了新的分類。
我們知道自然界中存在著四種基本相互作用， 這就是引力相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、強相互作用。萬有引力在粒子之間也是存在的， 但是它的強度太低， 隻有在涉及到巨大質量物體時， 比如， 地球對物體的作用， 太陽對地球的作用等， 引力相互作用才是重要的。而從粒子之間的作用來看， 引力相互作用十分微弱， 完全可以忽略不計， 所以粒子之間主要有三種相互作用。
